Os pesquisadores desenvolveram o método MIRVAL para converter fótons infravermelhos médios em fótons visíveis à temperatura ambiente, o que permite espectroscopia de molécula única e tem amplas aplicações em detecção de gases, diagnósticos médicos, astronomia e comunicação quântica.

Os resultados derivados de quantum podem simplificar bastante a detecção de luz infravermelha média em temperatura ambiente.

Pesquisadores da Universidade de Birmingham e da Universidade de Cambridge revelaram uma técnica pioneira que permite que a luz infravermelha média (MIR) à temperatura ambiente seja detectada através do uso de sistemas quânticos.

Publicado em Fotônica da naturezaEste estudo foi conduzido no Laboratório Cavendish em Cambridge e representa um grande avanço na capacidade dos cientistas de obter informações sobre o funcionamento das moléculas químicas e biológicas.

No novo método que utiliza sistemas quânticos, a equipe converteu fótons MIR de baixa energia em fótons visíveis de alta energia usando emissores moleculares. A nova inovação tem potencial para ajudar os cientistas a detectar MIR e realizar espectroscopia no nível de molécula única, à temperatura ambiente.

Rohit Shekaradi, professor assistente Universidade de BirminghamO principal autor do estudo explicou: “As ligações que mantêm a distância entre os átomos nas moléculas podem vibrar como molas, e essas vibrações ressoam em frequências muito altas. Essas fontes podem ser acionadas por luz infravermelha média que não é visível ao olho humano. À temperatura ambiente, estas molas estão em movimento aleatório, o que significa que o principal desafio na detecção da luz infravermelha média é evitar este ruído térmico. Os detectores modernos dependem de dispositivos semicondutores volumosos e que consomem muita energia, mas nossa pesquisa oferece uma maneira nova e interessante de detectar essa luz em temperatura ambiente.

A nova abordagem é chamada de Luminescente Vibracionalmente Assistida MIR (MIRVAL) e usa moléculas que têm potencial para serem MIR e luz visível. A equipe conseguiu empacotar os emissores moleculares em uma cavidade plasmônica muito pequena que ressoava tanto no MIR quanto nas bandas visíveis. Eles também o projetaram para que os estados vibracionais moleculares e os estados eletrônicos sejam capazes de interagir, resultando em uma transferência eficiente da luz MIR para uma fluorescência visível aprimorada.

Dr Chikaradi continuou: “O aspecto mais desafiador foi reunir três escalas de comprimento amplamente diferentes – comprimento de onda visível de centenas de nanômetros, vibrações moleculares de menos de um nanômetro e comprimentos de onda do infravermelho médio de dez mil nanômetros – em uma única plataforma. “

Ao criar cavidades de picocavidades, cavidades incrivelmente pequenas que captam a luz, compostas de moléculas únicasmilho Com defeitos nas laterais metálicas, os pesquisadores conseguiram atingir um volume extremo de retenção de luz de menos de um nanômetro cúbico. Isto significa que a equipe pode confinar a luz MIR ao tamanho de uma única molécula.

Esta conquista tem o potencial de aprofundar a compreensão de sistemas complexos e abre a porta para vibrações moleculares de energia infravermelha, que normalmente são inacessíveis no nível de molécula única. Mas o MERVAL pode ser útil em diversas áreas, para além da investigação puramente científica.

Dr Chikaradi concluiu: “O MIRVAL poderia ter vários usos, como detecção de gás em tempo real, diagnóstico médico, pesquisas astronômicas e comunicação quântica, já que agora podemos ver a assinatura vibracional de moléculas individuais nas frequências MIR. A capacidade de detectar MIR à temperatura ambiente significa que é muito mais fácil explorar estas aplicações e aprofundar a investigação nesta área. Com mais avanços, este novo método não só encontrará o seu caminho nos dispositivos práticos que moldarão o futuro das tecnologias MIR, mas também desbloqueará a capacidade de manipular de forma coerente a interação complexa entre átomos de ‘bola de mola’ em sistemas quânticos moleculares.

Referência: “Espectroscopia de infravermelho médio de molécula única e detecção por cintilação assistida por vibração” por Rohit Chikaradi, Rakesh Arul e Lucas A. Jacob e Jeremy J. Bomberg, 28 de agosto de 2023, disponível aqui. Fotônica da natureza.
doi: 10.1038/s41566-023-01263-4